إستثناء مفاجئ في قانون فيزياء عمره 200 سنة

اكتشف العلماء استثناءً غير متوقع في قانون علمي قديم يحكم طريقة انتشار الحرارة في المواد الصلبة.

تحمل هذه القاعدة اسم «قانون فورييه»، وهي تَصِف كيفية نقل الطاقة أو توصيلها في تلك المواد. حين تهتزّ الجزيئات وتتحرك الإلكترونات، تنتشر الحرارة من الطرف الأكثر سخونة إلى الطرف الأكثر برودة، وتحصل هذه العملية بوتيرة تناسب اختلاف الحرارة بين الطرفَين وطبيعة المساحة التي تتدفق فيها الحرارة.

لكن اكتشف العلماء في العقود القليلة الماضية أن هذا النموذج من الانتشار ليس فعالاً على المستوى النانوي. ينهار «قانون فورييه» في هذه الحالة ويعجز عن توقّع بطء الحرارة أو سرعتها في المادة الصلبة.

تساءل عالِم الفيزياء كاكاي تشانغ وزملاؤه من جامعة «ماساتشوستس» في «أمهرست» عن وجود استثناءات مشابهة لقانون «فورييه» على المقياس الكلي في مواد مثل البوليمرات الشفافة والزجاج غير العضوي.

أطلق الباحثون نبضات خاطفة من الليزر في المواد لتسخينها، وقاسوا طريقة انتشار الحرارة في كل واحدة من المواد الخاضعة للاختبار عبر استعمال ثلاث مقاربات: وضع جهاز لاستشعار الحرارة فوق سطح المادة مباشرةً، أو قياس تغيّر الألوان في الطلاء الحساس تجاه الحرارة، أو استعمال كاميرا عاملة بالأشعة تحت الحمراء.

يوضح عالِم المواد ستيف غرانيك من جامعة «ماساتشوستس»: «تكشف البيانات أن الحرارة تنتشر بوتيرة أسرع من الإيقاع الذي يمكن نَسْبه إلى هذه العملية، ما يعني أن الأشعة تؤثر بقوة على تدفق الحرارة في المراحل الأولى التي تلي ظهور نبض الحرارة، مع أن مساهمة الأشعة النسبية تتراجع حين يصبح انتشار الحرارة طاغياً في مراحل لاحقة. لا يعني ذلك أن قانون فورييه خاطئ، لكنه لا يفسّر جميع العوامل المرافقة لعملية نقل الحرارة».

يفترض الباحثون أن المواد الشفافة تبث الحرارة داخلياً لأن الشوائب البنيوية تمتص الحرارة وتنتجها، ما يسمح بانتشار الحرارة من نقطة إلى أخرى بدل أن تنتشر بوتيرة بطيئة.

قد تسمح هذه الاستنتاجات للمهندسين بتصميم استراتيجيات جديدة للتحكم بالحرارة في المواد الشفافة، بما أن الدراسة الأخيرة تطرح معلومات مفصّلة عن طريقة انتشار الحرارة في المواد الصلبة، بعد مرور 200 سنة على وصف هذه الظاهرة للمرة الأولى بالمصطلحات الرياضية.

• قانون فيزياء
• ماساتشوستس